坑內(nèi)鉆施工研究與探討

李偉剛

（咸陽(yáng)西北有色七一二總隊(duì)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

1 概述

隨著礦山及地方環(huán)保紅線壓力越來越大，礦山地表鉆探工程隨之轉(zhuǎn)為坑內(nèi)鉆探方向，運(yùn)用坑內(nèi)鉆完成礦山探礦增儲(chǔ)、以鉆代坑是為礦山及時(shí)提供可靠的地質(zhì)儲(chǔ)量，以降低采礦風(fēng)險(xiǎn)、優(yōu)化采礦設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步指導(dǎo)生產(chǎn)，降低地面環(huán)境破壞，節(jié)省工程量，節(jié)約成本，提高礦山生產(chǎn)效益。

實(shí)踐證明，充分利用礦山地質(zhì)手段，采用坑內(nèi)鉆以鉆代坑的方法，不但能降低成本、快速控制礦體，而且減少?gòu)U石排放，有效控制了重金屬等有害物質(zhì)的環(huán)境污染。從而節(jié)約生產(chǎn)探礦成本，實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展。

2 坑道鉆機(jī)類型與選擇

2.1 鉆機(jī)類型

（1）坑道鉆機(jī)是巖心鉆機(jī)的一種，是相對(duì)地表巖心鉆機(jī)而言的具有特殊用途的鉆探設(shè)備。這種鉆機(jī)多用在礦山坑道內(nèi)進(jìn)行地質(zhì)勘探鉆進(jìn)，以及鉆排水孔、瓦斯排放孔、通風(fēng)口等。

（2）坑道鉆機(jī)按其結(jié)構(gòu)類型可分為立軸式和動(dòng)力頭鉆機(jī)兩大類型。①傳統(tǒng)的立軸式鉆機(jī)改進(jìn)的坑內(nèi)鉆是許多礦山在實(shí)際工作中使用的，升降鉆具必須開鑿硐室，施工鉆孔角度受限很大，安裝、操作、施工等機(jī)械化程度低，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境安全隱患多，工作效率低。②全液壓動(dòng)力坑道鉆機(jī)具有地層使用性強(qiáng)、鉆進(jìn)效率高、安全可靠性好等特點(diǎn)，采整體布局合理，坑內(nèi)多角度使用，對(duì)鉆探工藝適用性強(qiáng)，使用坑內(nèi)繩索取芯、水力反循環(huán)推進(jìn)取芯等取芯技術(shù)，是目前坑道鉆探的主要機(jī)型，且已形成系列。

2.2 坑道鉆機(jī)選擇

（1）由于地下施工的特殊性，加之國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的形式下，隨著地質(zhì)勘探事業(yè)的進(jìn)步，人們對(duì)鉆機(jī)的要求也越來越高，安全、方便、多功能等成為很多人的選擇。全液壓坑道鉆機(jī)鉆效高已經(jīng)在各礦山發(fā)揮重要作用，將成為未來施工的主力鉆機(jī)。

（2）坑內(nèi)全液壓鉆機(jī)最突出的特點(diǎn)是設(shè)備使用安全性高、鉆進(jìn)速度快，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、體積小占用硐室面積小，拆卸完成后更方便移動(dòng)位置，坑內(nèi)全液壓鉆機(jī)逐漸應(yīng)用于礦山生產(chǎn)中。坑內(nèi)鉆使用全液壓鉆機(jī)，即滑軌式地質(zhì)鉆機(jī)，是滑動(dòng)回轉(zhuǎn)器式和動(dòng)力頭鉆機(jī)的簡(jiǎn)稱，是不同于立軸式鉆機(jī)的新機(jī)型。

（3）全液壓坑道鉆機(jī)采用全液壓傳動(dòng)，機(jī)械化程度高，其鉆進(jìn)方式、運(yùn)行方式、設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式與其它鉆機(jī)有較大差異，同時(shí)解決了不帶接手卡槽鉆桿的機(jī)械化問題，還排除了許多不安全因素。

3 提高巖心采取率的技術(shù)措施

3.1 巖礦心采取率在地質(zhì)鉆探中的意義

在礦山地質(zhì)勘探實(shí)施過程中，鉆探工作的最終目標(biāo)是提升巖心采取率，這也是衡量地質(zhì)鉆探工作質(zhì)量的其中一個(gè)硬性指標(biāo)。經(jīng)過分析、化驗(yàn)、調(diào)查、鑒定巖心實(shí)際情況，能夠全方位掌握礦體埋藏大致位置、分布規(guī)律、地質(zhì)礦物構(gòu)成、巖石構(gòu)造和水文地質(zhì)特性等。所以，在同步實(shí)施鉆進(jìn)工作同時(shí)，還要關(guān)注采取巖心質(zhì)量，要能夠準(zhǔn)確的反映地下層位的真實(shí)情況，保證地層原生結(jié)構(gòu)，最大限度為地質(zhì)技術(shù)人員提供巖性依據(jù)。

3.2 地質(zhì)勘探對(duì)巖心的基本要求

3.2.1 采取率

依據(jù)地質(zhì)調(diào)查的具體情況、勘查程序，及采取的地層的差異化，根據(jù)實(shí)際要求設(shè)定采取率，可確保取得所規(guī)定數(shù)量的巖心，可達(dá)到地質(zhì)勘查深入研究的目的。

巖心采取要達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)：即采取率需超過百分之六十五，采取率分層要高于百分之八十五。因不同礦床類型存在具體差異，采取率的具體要求可依照實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

3.2.2 完整度

采取的巖心需維持一個(gè)自然構(gòu)造，地質(zhì)礦物展現(xiàn)出的形態(tài)、孔隙度、節(jié)理發(fā)育、塊狀大小等等，可以讓工作人員清晰了解礦石的具體情況，更利于對(duì)礦石種類進(jìn)行劃定，認(rèn)識(shí)不同礦石之間的的結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性。所以，也更方便地質(zhì)勘探工作人員進(jìn)行深入研究。

3.2.3 純潔性

采取巖心避免受到污染物的侵蝕，可保證礦石等級(jí)。若巖心中摻入了粘土，大量灰份涌入；當(dāng)摻入大量泥漿后，巖層掉塊，易誤導(dǎo)工作人員，所采取到的巖心是假心。

3.2.4 避免選擇性磨損

鉆取巖心需規(guī)避內(nèi)在物質(zhì)成分變化對(duì)鉆取工作的影響。巖心鉆取過程中一旦出現(xiàn)選擇性磨損，直接導(dǎo)致巖心變質(zhì)、貧化，將無法準(zhǔn)確判斷礦石的品位。例如云母，因此類礦石質(zhì)量較輕，展現(xiàn)出薄片狀、鱗片狀，易出現(xiàn)人為貧化。鉛礦、鋅礦、金礦、銅礦這些礦種，質(zhì)量重，展現(xiàn)出顆粒狀、結(jié)晶狀，巖心更容易殘留，易出現(xiàn)人為富集。

3.2.5 取心部位準(zhǔn)確

為保證所采取巖心位置的精準(zhǔn)性，同時(shí)可以有效判斷出礦層所處位置、產(chǎn)狀特征及礦層厚度，更利于估算出礦產(chǎn)資源富存數(shù)量。

圖1 全液壓坑內(nèi)鉆機(jī)

3.3 影響巖心采取率的因素

巖心采取工作質(zhì)量及采取的實(shí)際數(shù)量受一些客觀因素制約，具體可歸類為如下。

3.3.1 地質(zhì)狀況影響

地質(zhì)鉆進(jìn)的穩(wěn)定、完整、均勻、堅(jiān)硬，不受井下液體沖刷、鉆具振動(dòng)影響時(shí)，巖心采取工作可以順利進(jìn)行，此時(shí)巖心多展現(xiàn)出柱狀，更利于采取獲得高質(zhì)量的巖心。

采取巖心時(shí)，地層呈現(xiàn)出破碎、松散的發(fā)育特征，地質(zhì)構(gòu)造出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)、地層風(fēng)化、巖質(zhì)脆弱，巖心采取時(shí)容易出現(xiàn)被污染、沖毀、攪碎、淋腐等情況，巖心表現(xiàn)出的形態(tài)有片狀、粉末狀、塊狀、粒狀等等。以上類型的地質(zhì)層進(jìn)行巖心采取時(shí)較難得到優(yōu)質(zhì)巖心，也可能采取不到巖心。

在影響巖心采取工作時(shí)，受客觀因素影響具有代表性的是地質(zhì)條件，我們可以進(jìn)行深入研究，逐步了解，總結(jié)地質(zhì)條件變化的一些規(guī)律，合理安排巖心采取工作所用到的設(shè)備及工作方案，優(yōu)化采取技術(shù)，盡量避免受到客觀因素的影響，確保巖心采取工作效率。

3.3.2 工藝技術(shù)因素

（1）鉆進(jìn)方法：在同一礦區(qū)同一地層施工，采用的鉆進(jìn)方法不同，鉆孔的采取率也不一樣。

（2）鉆頭結(jié)構(gòu)選型：鉆頭尺寸對(duì)巖心采取率有很大影響，內(nèi)徑越大，巖心越粗，完整度越大，采取率越高。但是，孔底所需壓力增加，鉆具的振動(dòng)加大，鉆機(jī)設(shè)備的要求增加，同一條件下鉆速下降，因此，不能一味的增加鉆頭尺寸來提高采取率。

（3）取芯鉆具結(jié)構(gòu)：巖層的種類不同，其物理性質(zhì)也不同，采用的取芯工具應(yīng)該不同，才能提高巖心采取率。目前使用較廣泛的金剛石鉆進(jìn)，卡簧的選擇就特別重要，不僅要能卡住巖心還要提取出，才能提高效率。

（4）技術(shù)參數(shù)的選擇：采用不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)，對(duì)巖心采取的數(shù)量和質(zhì)量有很大的影響，既要考慮效率也要考慮采取率。

（5）操作技術(shù)方面：鉆進(jìn)操作不當(dāng)，或操作方法不正確，也會(huì)造成巖心破壞。降低取心質(zhì)量。例如：

①一味要求進(jìn)尺數(shù)量，增加了回次時(shí)間，巖心磨損情況嚴(yán)重，鉆具振動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備造成不良影響。②采取方法不合理，提鉆過快、卡取不結(jié)實(shí)。直接導(dǎo)致巖心殘留在孔內(nèi)過多、巖心脫落，第二次再進(jìn)行套取更容易對(duì)巖心造成損壞。鉆取力度掌握不好，巖心遭受擠壓，出現(xiàn)燒灼變質(zhì)。③下鉆過猛，直插孔底，將孔內(nèi)巖粉、掉塊擠入巖心管造成假巖心。

3.3 提高鉆探巖心采取率的措施

（1）地質(zhì)破碎地層鉆進(jìn)時(shí)，加大取芯次數(shù)，縮短回次進(jìn)尺，可以有效提高取芯率。但是提動(dòng)鉆具不能過多、過高，會(huì)造成重復(fù)破碎或巖心堵塞相互磨損，降低采取率。

（2）合理設(shè)計(jì)鉆壓。壓力不足，進(jìn)尺慢，延長(zhǎng)了巖心受到破壞作用的時(shí)間。轉(zhuǎn)速過高，鉆具受離心作用較大，對(duì)巖心破壞加劇，轉(zhuǎn)速過低則鉆速低，影響巖心采用率。

（3）轉(zhuǎn)速同樣是取芯鉆速的主要因素，只要條件允許，應(yīng)高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。泥漿用量及泵壓的選擇，也應(yīng)該相互匹配，否則易造成燒鉆等孔內(nèi)事故。轉(zhuǎn)速越高，鉆具的擺動(dòng)越大，對(duì)巖心破壞越大；轉(zhuǎn)速過低，鉆速則低，巖心受研磨時(shí)間越長(zhǎng)，采心質(zhì)量當(dāng)然不高。

（4）控制回次時(shí)間和長(zhǎng)度。一般情況下，回次時(shí)間越長(zhǎng)，回次進(jìn)尺越多，巖心被破壞、磨損和污染的機(jī)會(huì)也越多，特別是硬、脆、碎地層，影響更大，采心質(zhì)量越低。

4 坑內(nèi)鉆常存在的問題

4.1 液壓鉆機(jī)常見系統(tǒng)問題

（1）油囊的作用是為了給動(dòng)力頭中的鉆桿夾瓦提供夾持壓力，但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，油囊會(huì)隨之變形和磨損，導(dǎo)致動(dòng)力頭漏油，加劇液壓油的損耗。

（2）銅套為易磨損部件，隨著鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，銅套隨著轉(zhuǎn)動(dòng)而被磨損，導(dǎo)致銅套內(nèi)側(cè)壁被磨損脫落成銅粉，使得銅套內(nèi)側(cè)間隙變大，鉆機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)晃動(dòng)加劇，對(duì)鉆機(jī)的穩(wěn)定性造成較大影響。

（3）動(dòng)力頭中銅套脫落的銅粉又會(huì)隨著液壓油的流動(dòng)進(jìn)入油箱和油泵，因?yàn)橛捅媒Y(jié)構(gòu)比較精密，銅粉進(jìn)入油泵后會(huì)損耗油泵的使用壽命，使油泵損壞。

4.2 鉆進(jìn)硬巖層時(shí)鉆頭進(jìn)尺困難

（1）這是全液壓鉆機(jī)的共同難題，特別是坑內(nèi)鉆更加明顯，在大頂角鉆孔中更為突出。在特硬巖層中鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭沒有自銳刃出易打滑，還有鉆機(jī)、鉆桿的質(zhì)量等限制了鉆速，造成鉆頭進(jìn)尺緩慢。

（2）選擇合適地層的金剛石鉆頭，金剛石的濃度必須保證鉆頭的工作唇面上的金剛石數(shù)量具有足夠的切削能力和較高的耐磨性。另外需要匹配合適的鉆進(jìn)參數(shù)，鉆壓、轉(zhuǎn)速、泥漿泵量等相互制約，在正常情況下，往往都有一個(gè)各項(xiàng)優(yōu)化的合理值，即在某一范圍內(nèi)，使用哪一種金剛石鉆頭進(jìn)尺快、效率高。

5 解決方案

5.1 壓力不足逐一排除

（1）采用逐一排除法就是從易到難，把產(chǎn)生問題的原因一個(gè)一個(gè)排除，該修的修，該換的換，坑道鉆機(jī)最麻煩的是動(dòng)力頭銅套問題，坑道環(huán)境和銅套的精密裝配，這是前期國(guó)內(nèi)鉆機(jī)的一個(gè)較大瓶頸，后期改進(jìn)為地表給進(jìn)油缸式后問題迎刃而解。

（2）根據(jù)現(xiàn)象和以往經(jīng)驗(yàn)，壓力不足可能的原因有：?jiǎn)蜗蜷y遇卡，混合閥阻塞，油囊磨損，油缸漏油，溢流閥損壞等。

（3）通過檢修、試機(jī)逐一排除問題并解決問題后，還要根據(jù)實(shí)際情況判斷產(chǎn)生問題的原因。定期檢查保養(yǎng)，更換質(zhì)量較好的液壓油，保證工作環(huán)境的衛(wèi)生，坑道內(nèi)空氣及通風(fēng)等因素，正確裝配易損原件，交接班記錄好，加強(qiáng)班長(zhǎng)技術(shù)培訓(xùn)交流，提高生產(chǎn)效率。

5.2 鉆頭腐蝕、鋸齒等出刃法

（1）當(dāng)鉆頭進(jìn)尺緩慢或打滑時(shí)，可將加熱的鉆頭磨平唇面放入強(qiáng)酸腐蝕或用重型鈍物將其砸成鋸齒出刃，此方法可反復(fù)使用。

（2）金剛石鉆頭下入孔底，其唇面形狀與孔底不吻合，尤其是更換鉆頭后，須有一個(gè)磨合階段，此時(shí)應(yīng)該使用小鉆壓（一般為正常鉆壓的三分之一），而且使用較低鉆速，以免過大鉆壓造成鉆頭局部損壞，等鉆頭與孔底經(jīng)過磨合緊密結(jié)合后，便可正常鉆壓進(jìn)行鉆進(jìn)，這一點(diǎn)對(duì)于新下孔的鉆頭十分重要，所以要特別注意。

（3）對(duì)于已知地層的鉆頭選擇，要根據(jù)地層巖性選擇合適胎體硬度的鉆頭；對(duì)于未知地層選擇鉆頭一方面結(jié)合已知地層鉆頭的使用情況，另一方面應(yīng)選擇廣譜性好的鉆頭，結(jié)合鉆進(jìn)情況及時(shí)調(diào)整。

6 現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)管理

6.1 坑內(nèi)鉆生產(chǎn)管理

根據(jù)鉆探項(xiàng)目生產(chǎn)的特點(diǎn)，對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)進(jìn)行計(jì)劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)和控制的一系列活動(dòng)過程的總稱。目的是利用人、財(cái)、物等生產(chǎn)資源，根據(jù)工作計(jì)劃及施工設(shè)計(jì)，對(duì)鉆探生產(chǎn)中的進(jìn)度、質(zhì)量、成本、安全、協(xié)助配合等進(jìn)行計(jì)劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)和控制，建立正常的施工秩序。以提高經(jīng)濟(jì)效益為中心，優(yōu)質(zhì)、高效、安全、低耗地完成生產(chǎn)工作任務(wù)，創(chuàng)造出最好的經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效益。

6.2 鉆探生產(chǎn)管理的主要工作

（1）根據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)計(jì)劃及工作任務(wù)安排，全面了解鉆機(jī)運(yùn)行狀況，確保鉆探生產(chǎn)安全有序進(jìn)行，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

（2）堅(jiān)持實(shí)行和不斷完善以提高質(zhì)量、降低消耗為重點(diǎn)的多種形式的經(jīng)濟(jì)責(zé)任制及各項(xiàng)管理制度，積極推行現(xiàn)代管理方法，不斷提高機(jī)臺(tái)管理水平。

（3）廣泛開展技術(shù)革新和提合理化建議活動(dòng)，采用新技術(shù)、練好基本功，努力培養(yǎng)“多面手”和技術(shù)能手。

（4）將勞動(dòng)者組織在一起，共同籌劃競(jìng)賽時(shí)間、競(jìng)賽內(nèi)容，實(shí)行民主管理，建立民主管理制度，保障職工民主權(quán)益。

（5）搞好勞動(dòng)保護(hù)和環(huán)境保護(hù)工作，保障職工健康和安全；關(guān)心職工生活，開展健康有益的文體活動(dòng)。

6.3 鉆探生產(chǎn)管理的原則

（1）系統(tǒng)原則：把項(xiàng)目負(fù)責(zé)、機(jī)長(zhǎng)、班長(zhǎng)、鉆工看做是一個(gè)有機(jī)、完整的控制系統(tǒng)。

（2）責(zé)任性原則（即分工原則）：每個(gè)管理層級(jí)上的管理者都應(yīng)該具有的職、權(quán)、責(zé)、利要統(tǒng)一、明確。

（3）反饋原則：任何系統(tǒng)的控制都是通過反饋實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)控制指令發(fā)出去，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)到一個(gè)狀態(tài)，調(diào)查了解這個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和偏離指令的情況，就是反饋。

（4）層次原則：就是要充分發(fā)揮各級(jí)管理層管理的作用，而不能包辦或代替。

（5）動(dòng)態(tài)原則：就是要求項(xiàng)目主體和個(gè)人都有一定的機(jī)動(dòng)能力和自主權(quán)，以使其對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境有較大的適應(yīng)能力。

（6）重視智力開發(fā)原則：一方面要注意人才的培養(yǎng)，不斷提高技術(shù)人員和操作者的技術(shù)素養(yǎng)，擴(kuò)大技術(shù)人員和技術(shù)工人的視野；另一方面又要注意人才的合理使用，充分調(diào)動(dòng)人的積極性；同時(shí)，還要注意生產(chǎn)技術(shù)手段的充實(shí)、更新和合理使用。

（7）有效原則：技術(shù)用盡可能少的投入，獲得符合社會(huì)需要的滿意的效果作為判據(jù)。

7 總結(jié)

7.1 幾點(diǎn)體會(huì)

（1）鉆機(jī)機(jī)班長(zhǎng)機(jī)鉆工的熟練程度，會(huì)直接影響鉆孔的質(zhì)量和鉆進(jìn)進(jìn)尺效率，間接影響地質(zhì)成果。

（2）經(jīng)過不同礦區(qū)不同地層的施工，全液壓坑內(nèi)鉆與立軸式鉆機(jī)有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，其操作方便、數(shù)字化顯示都能夠幫助操作者直觀的看到孔內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)的變化，為預(yù)防事故，處理事故，提供準(zhǔn)確的參數(shù)。在使用繩索取芯工藝時(shí)，其穩(wěn)定的機(jī)械性能更能保證鉆孔的質(zhì)量。工人勞動(dòng)強(qiáng)度更低，大大減少了人工成本，能夠滿足礦山井下復(fù)雜地層鉆探施工的需要。

（3）目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)坑內(nèi)鉆鉆機(jī)設(shè)計(jì)存在一定缺陷。

7.2 意見

（1）人是施工中具有主觀能動(dòng)性的一個(gè)因素，任何生產(chǎn)活動(dòng)都需要技能工人進(jìn)行操作，對(duì)于全液壓坑內(nèi)鉆機(jī)使用的人員管理，尤為重要，建議項(xiàng)目施工主體投放一定的資金，加大對(duì)鉆探人員的培訓(xùn)，以確保規(guī)范操作、安全生產(chǎn)，另外采取合理的分配機(jī)制，充分調(diào)動(dòng)生產(chǎn)人員的積極性，提高工效和技能水平，取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理，針對(duì)各項(xiàng)目施工方案現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)機(jī)班長(zhǎng)進(jìn)行技術(shù)交底，技術(shù)人員對(duì)各項(xiàng)鉆進(jìn)參數(shù)、設(shè)備性能進(jìn)行定時(shí)和不定時(shí)監(jiān)測(cè)，以便掌握第一手資料并及時(shí)做出調(diào)整。

（3）敢于創(chuàng)新，對(duì)鉆機(jī)存在的缺陷進(jìn)行技術(shù)改造，從而加快工程進(jìn)度，降低探礦成本。